Gravitational anomaly and transport properties of topological semimetals - Thèses de l'ENS de Lyon Access content directly
Theses Year : 2023

Gravitational anomaly and transport properties of topological semimetals

Anomalie gravitationnelle et propriétés de transport des semi-métaux topologiques

Baptiste Bermond
  • Function : Author
  • PersonId : 1351983
  • IdRef : 273373129

Abstract

Symmetries are a cornerstone of the physical description of the world. In some exotic situations, the symmetries of the classical description are violated by quantum fluctuations. Such symmetries are denoted anomalous. Of particular interest, the gravitational anomalies describe how momentum and energy conservation laws are not satisfied by quantum fluctuations in a curved spacetime, typically of gravitational origin. This thesis explores the consequences of these gravitational anomalies in the context of condensed matter. Historically, R. Tolman and P. Ehrenfest studied in the 30s the black body radiation at equilibrium in a curved spacetime. They realized that the curvature of spacetime induces inhomogeneities of the equilibrium temperature. Later on, J.Luttinger, while studying thermal transport in solids, built on their study to replace an inhomogeneous temperature by a curvature of spacetime or equivalently by a gravitational potential. In this thesis, I revisit these historical works. I show how anomalous quantum fluctuations, captured by the gravitational anomalies, modify the Tolman-Ehrenfest equivalence between a curved spacetime and an inhomogeneous temperature. Then I identify several condensed matter situations in which this modified Tolman and Ehrenfest equivalence leads to measurable consequences. In particular, I consider strongly out-of-equilibrium quantum dynamics induced by a thermal quench or a periodic modulation of couplings. Finally, I discuss the magnetothermal transport properties of a Weyl semimetal, ZrTe5, as part of a collaboration with an experimental group. While initially aiming at identifying signatures of the gravitational anomalies, we realized that these measurements were the signature of a new phenomenon resulting from a strong coupling between electrons and phonons in this material, leading to remarkable quantum oscillations of the magnetothermal conductivity.
Les symétries constituent la pierre angulaire de la description physique du monde. Dans certaines situations exotiques, les symétries de la description classique sont violées par des fluctuations quantiques. De telles symétries sont appelées anormales. En particulier, les anomalies gravitationnelles décrivent comment les lois de conservation de la quantité de mouvement et de l'énergie sont violées par les fluctuations quantiques dans un espace-temps courbe, typiquement d'origine gravitationnelle.Cette thèse explore les conséquences de ces anomalies gravitationnelles dans le contexte de la matière condensée. Historiquement, R. Tolman et P. Ehrenfest étudiaient dans les années 30 le rayonnement d'équilibre d'un corps noir dans un espace-temps courbe. Ils ont réalisé que la courbure de l'espace-temps induit des inhomogénéités de la température d'équilibre. J.Luttinger, étudiant le transport thermique dans les solides, s'appuya sur leur étude pour montrer qu'une température inhomogène peut être commodément troquée pour un espace-temps courbe, ou de manière équivalente pour un potentiel gravitationnel. Dans cette thèse, je revisite ces travaux historiques. Je montre comment des fluctuations quantiques anormales, captées par les anomalies gravitationnelles, modifient l'équivalence Tolman-Ehrenfest entre un espace-temps courbe et une température inhomogène. Ensuite, j'identifie plusieurs situations de matière condensée dans lesquelles cette équivalence modifiée de Tolman-Ehrenfest conduit à des conséquences mesurables. En particulier, je considère la dynamique quantique fortement hors d'équilibre, induite par une trempe thermique ou une modulation périodique des couplages. Enfin, je discute des propriétés de transport magnétothermique d'un semi-métal de Weyl, ZrTe5, dans le cadre d'une collaboration avec un groupe expérimental. En visant initialement à identifier les signatures des anomalies gravitationnelles, nous nous sommes rendus compte que les mesures étaient la signature d'un nouveau phénomène résultant d'un fort couplage entre électrons et phonons dans ce matériau, conduisant à de remarquables oscillations quantiques de la conductivité magnétothermique.
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Dates and versions

tel-04457203 , version 1 (14-02-2024)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04457203 , version 1

Cite

Baptiste Bermond. Gravitational anomaly and transport properties of topological semimetals. Mesoscopic Systems and Quantum Hall Effect [cond-mat.mes-hall]. Ecole normale supérieure de lyon - ENS LYON, 2023. English. ⟨NNT : 2023ENSL0081⟩. ⟨tel-04457203⟩
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